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Des premières bactéries à l'homme

De
174 pages
Une chaîne ininterrompue d'espèces vivantes relie les premières bactéries apparues il y a près de 4 milliards d'années à l'émergence de l'homme il y a quelques millions d'années à peine. Cette histoire est ici patiemment reconstituée. L'auteur raconte notre généalogie à la lumière des transformations advenues au fil des durées géologiques.
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Une éternité en héritage
Quand l’enfant paraît, parents et grands-parents, penchés sur son berceau, se livrent au jeu des devinettes afin de retrouver chez le nouveau-né des traits hérités d’un ascendant ou d’un lointain ancêtre. Mais, les photographies aidant, ces rapprochements se limitent généralement à quelques générations. Au-delà, les souvenirs se brouillent. Cependant, en s’éloignant dans le passé, les portraits légués par les peintres de la Renaissance et du Moyen-Âge révèlent des hommes et des femmes dont la physionomie ne différait guère de la nôtre. En remontant encore le temps, nous croisons les contemporains du Christ et des empereurs romains dont la statuaire a fixé les traits. A peine 80 à 100 générations nous en séparent. Les momies de l’Egypte pharaonique révèlent de même des femmes et des hommes proches de nous par leur apparence, leurs préoccupations, leurs comportements. Plus loin encore, s’ébauche la silhouette des hommes de la préhistoire reconstituée à travers leurs squelettes. Force est de constater que tous ces hommes nous ressemblaient. Une évidence s’impose : un déroulement ininterrompu de générations traverse les siècles et les millénaires, nous reliant par des liens de filiation à des ancêtres ayant vécu au cours de passés lointains. Mais, qu’en est-il au-delà ? Au récit de l’historien se substitue alors une chronique nourrie par les données de la paléontologie. La préhistoire prend le relais de l’histoire.

Avant-propos

Les fossiles, archives de la vie, nous apprennent ainsi que l’homme moderne, Homo sapiens, fut précédé par d’autres hominidés. Il en fut ainsi des Pithécanthropes qui ont vécu il y a un million d’années et des Australopithèques qui sont encore plus anciens. Leur physionomie différait notablement de la nôtre. En effet, au fur et à mesure qu’on recule dans le temps, des caractères simiesques s’affirment : la face s’allonge et la taille du cerveau se réduit. Les différences anatomiques, voire comportementales, entre les hominidés fossiles et les singes proches de l’homme, les singes anthropoïdes tels les chimpanzés ou les gorilles, s’amenuisent. Tout laisse à penser que les hominidés et les grands singes sont issus d’une souche ancestrale commune de primates. En remontant les temps géologiques, l'histoire des primates s’enracine dans celle des mammifères dont les premiers représentants sont apparus au début de l’ère secondaire, il y a près de 200 millions d’années. Ceux-ci, à leur tour, tirent leur origine d’ancêtres reptiliens ayant vécu durant la deuxième moitié de l’ère primaire. En s’éloignant encore dans le passé, on rejoint l’époque, encore mal documentée, de l’émergence des vertébrés, animaux pourvus d’une colonne vertébrale, qui s’est produite à l’orée de l’ère primaire. On pénètre ensuite dans les âges obscurs du Précambrien, un intervalle de temps de plus de 3 milliards d’années, au cours duquel la planète était essentiellement peuplée par un monde microbien. Chemin faisant, on remonte à l’apparition des premiers organismes vivants sur la Terre, un événement majeur qui s'est produit il y a 3,5 ou 3,8 milliards d’années. En reculant toujours dans le temps, on quitte la planète pour s’aventurer dans ce gigantesque laboratoire des espaces cosmiques où se sont élaborées, à partir d’éléments chimiques simples, des molécules de plus en plus complexes d’où procède la matière organique des êtres vivants. Ainsi, en un raccourci saisissant, la Science nous relate aujourd’hui le récit de la fabuleuse histoire de l’univers, de la vie et de l’homme. Une histoire qui n'apparaît entachée par aucune rupture. A l’instar du déroulement d’un film de cinéma, où chaque image est déterminée par celle qui la précède et annonce celle qui va suivre, l’histoire de la matière et l’histoire de la vie s‘enchaînent selon une progression continue dont 6

l'homme est le terme provisoire. Un récit qui raconte nos origines. Une histoire toujours inachevée. Sans la connaissance de ce passé, le monde vivant qui nous entoure, la complexité et la diversité de ses faunes et de ses flores, nous demeureraient à jamais inintelligibles.

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Les commencements du monde
De la matière à la vie

L’émerveillement toujours renouvelé qui nous saisit devant le spectacle féerique d’un ciel étoilé, s’accompagne d’une sensation de vertige face à l’immensité de l’univers qu’elle révèle. Il nous invite en permanence à prendre conscience de notre petitesse d’humains perdus dans un monde dont les dimensions sont sans commune mesure avec celles qui bornent notre existence. Mais, en même temps, il nous fait découvrir notre singularité d’êtres pensants, car nous sommes peut-être seuls dans l’univers à nous interroger sur notre place dans le temps et dans l’espace. On s’accorde aujourd’hui sur le fait que l’univers a eu un commencement. Il s’agit d’un événement capital qui a vu naître simultanément le temps, l’espace et la matière. Aussi la question « qu’y avait-il avant ? » n’a-t-elle guère de sens. Immergés en permanence dans la durée et dans l’espace, nous sommes incapables d’imaginer un monde dépourvu de telles propriétés. Puisque l’univers a connu un début, il a une histoire. Les grands événements qui jalonnent son évolution ont été patiemment reconstitués par des générations de scientifiques. Ils constituent autant de chapitres du livre de l’univers.

1.1 Le laboratoire cosmique, un préambule à la vie
Au cours des dernières décennies, les observations des astrophysiciens ont progressivement substitué au modèle d’un ciel statique où la place des astres serait fixée de toute éternité, la vision d’un univers en perpétuel devenir. Les étoiles naissent puis disparaissent dans de gigantesques feux d’artifice, éjectant dans l’espace des gaz et des poussières. Une étape considérable fut franchie en 1929 par l’astronome américain Edwin Hubble qui démontra que les galaxies avec leurs milliards d’étoiles s’éloignaient les unes des autres à des vitesses vertigineuses et que, par conséquent, l’univers était en expansion. De cette découverte découla logiquement la conclusion qu’à l’origine toute la matière de l’univers devait se trouver concentrée en un point. Ce moment primordial a été qualifié, quelque peu par dérision, de « big bang », la grande déflagration. Il s’agit en réalité d’une extrapolation scientifique, d’un état initial qui relève de la pure abstraction, car aucune observation n'a pu l'approcher. Des calculs font remonter cet événement à environ 13,7 milliards d’années. On estime que la densité de la matière et la température devaient y être inouïes. Le big bang se serait traduit par une formidable explosion, libérant une quantité inimaginable d’énergie, créant et dispersant des particules de matière. L’espace prend corps et se dilate. Le temps s’égrène au calendrier de l’histoire. Désormais, les événements cosmiques sont repérables au sein d’une succession chronologique. Il y aura un avant et un après. L’univers sort du chaos et s’organise. L’expansion de l’univers s’accompagne d’une baisse progressive de la température. Parmi les particules émises lors du big bang, apparaissent les photons, supports de l’énergie lumineuse. Les ténèbres se dissipent et la lumière fut. D’autres particules élémentaires, les électrons et les quarks, s’agrègent pour engendrer des protons et des neutrons qui, à leur tour, se combinent en éléments chimiques simples gazeux, des atomes d’hydrogène et d’hélium. Cependant, la distribution spatiale des éléments n’est pas homogène. Localement, des disques de gaz se contractent, 10

donnant naissance aux galaxies. Il en fut ainsi de la Voie lactée. En leur sein se différencient les étoiles dont les noyaux, portés à des températures de l’ordre du million de degrés, deviennent le siège de réactions nucléaires. Celles-ci initient l’élaboration d’éléments plus lourds tels le carbone, le calcium, le magnésium, l’aluminium ou l’oxygène. Lorsque les températures augmentent encore, apparaissent le silicium, le soufre, le fer, le mercure, le plomb ou l’uranium. Toutes les espèces chimiques rencontrées sur notre planète et répertoriées dans le tableau périodique des éléments de Mendeleïev, sont nées dans les étoiles. Les étoiles naissent et meurent. Leur extinction est précédée par une gigantesque explosion qui disperse dans les espaces interstellaires les éléments de matière élaborés en leur sein. A la périphérie de la Voie lactée, il y a environ 4,56 milliards d’années, naît une étoile qui se trouve à l’origine de notre soleil. Des températures extrêmement élevées sont entretenues par des réactions chimiques qui transforment l’hydrogène en hélium. Au fur et à mesure qu’on s’écarte du soleil, les températures baissent. Elles permettent alors à des corpuscules de matière de s’assembler, de grossir, puis d’accroître encore leur taille sous l’effet de multiples collisions. Ainsi, prend progressivement naissance le cortège des planètes. En s’éloignant du soleil, se rencontrent d’abord des planètes rocheuses ou telluriques dont font partie Mars et notre Terre, puis des planètes gazeuses comme Jupiter et Saturne. Aux confins du système solaire, de très basses températures induisent la formation de glaces, glaces d’eau, mais également glaces d’ammoniac, de méthane ou de dioxyde de carbone. A l'origine, il y a 4,56 milliards d'années, la Terre est une boule incandescente. En son sein, s’opère progressivement une différenciation des éléments chimiques. Les plus lourds, le fer et le nickel, migrent vers le centre pour constituer le noyau du globe terrestre, tandis que les plus légers, le silicium et l’aluminium, forment la croûte. Il y a 4,4 milliards d’années, un astéroïde de grande dimension percute la jeune planète Terre. Les matériaux éjectés dans l'espace lors de la collision 11

se rassemblent et gravitent autour du globe pour constituer un satellite. Telle est l’origine de la Lune. Au cours d’une très longue histoire jalonnée par la naissance et la mort de myriades d’étoiles, les espaces interstellaires s’enrichissent d’une grande diversité d’éléments chimiques. A leur tour, ceux-ci réagissent entre eux pour s’associer en chaînes moléculaires plus complexes qui alimentent les grandes nébuleuses de poussières. Parmi ces molécules interstellaires, les astrophysiciens ont détecté une centaine de composés dont l’organisation est basée sur la chimie du carbone. Il en est ainsi du monoxyde de carbone, du méthane, de l’alcool éthylique, du cyanure d’hydrogène ou du formaldéhyde. L’eau et l’ammoniac furent également reconnus. Certaines de ces molécules sont capables de donner naissance à des composés plus complexes. Des molécules de cyanure d’hydrogène, par exemple, peuvent s’associer pour former de l’adénine, une base azotée des acides nucléiques. Le formaldéhyde constitue une étape sur la voie conduisant à la formation de sucres. En outre, les météorites carbonées qui parviennent régulièrement à la surface de la planète, renferment des bases azotées et des acides aminés. En définitive, le cortège des molécules interstellaires annonce les constituants élémentaires de la matière organique à partir desquels se sont édifiés les êtres vivants qui peuplent la planète Terre. Ce sont des molécules prébiotiques. Dans un tel contexte, l’apparition de la vie devenait un événement inéluctable. Cependant, face aux rouages de la mécanique céleste dont l’ampleur des énergies à l’œuvre défie l’imagination, les êtres vivants apparaissent éminemment fragiles. Leur apparition et leur pérennité au fil des temps géologiques relèvent de l’improbable. Et pourtant, tout au long de l’histoire mouvementée de la planète Terre, ils n’ont cessé d’engendrer des espèces nouvelles. Bien plus, en se diversifiant, ils sont parvenus à coloniser tous les environnements possibles : l’eau, la surface des continents, l’air. Dans l’état actuel de nos connaissances, seule la planète Terre bénéficia du privilège de voir naître et d'héberger des êtres vivants diversifiés. Les modalités de cet événement 12

capital dans l’histoire de l’univers mais, à l’évidence, non reproductible, donnèrent lieu à de multiples théories et hypothèses. Mais force est de reconnaître que tous les scénarios proposés pour expliquer l’origine de la vie sur la Terre comportent d’énormes zones d’ombre et exigent encore bien des investigations.

1.2 Le bouillon primordial
Une expérience célèbre d’une grande simplicité, mais géniale dans sa conception, fut réalisée en 1953 par Stanley Miller dans le laboratoire de Harold Urey à l’Université de Chicago. Dans un ballon en verre, il réunit un mélange gazeux de méthane, d’ammoniac, d’hydrogène et de vapeur d’eau. D’après les connaissances de l’époque, cette composition était censée reproduire celle de l’atmosphère primitive qui entourait la jeune planète Terre. Il soumit ensuite le mélange gazeux à des décharges électriques et à des rayons ultraviolets, simulant ainsi l’ambiance physique qui devait animer le globe terrestre à ses débuts, à savoir, d’une part, le déclenchement d’orages violents et, d’autre part, l'exposition à un intense rayonnement ultraviolet en raison de l’absence d’une couche protectrice d’ozone dans la haute atmosphère. Le résultat fut surprenant. Au bout de quelques semaines, un produit brun apparut sur les parois du ballon. Il se révéla constitué par des composés organiques, en particulier par des acides aminés, c’est-à-dire par les constituants chimiques élémentaires des êtres vivants. La portée de ce résultat était considérable. Il établissait que la synthèse des substances simples du monde minéral et celle des molécules complexes à base de carbone des organismes vivants, pouvaient s’effectuer dans des conditions similaires. L’expérience de Miller fut depuis lors maintes fois reproduite, soit en modifiant la composition du mélange gazeux, par exemple en intégrant des oxydes de carbone, soit en utilisant des supports catalytiques comme les minéraux argileux ou la pyrite, un sulfure de fer. Certaines surfaces minérales possèdent, en effet, la propriété de piéger des molécules organiques et de faciliter leur organisation en composés plus complexes. 13

Aujourd’hui, la plupart des molécules caractéristiques de la vie ont été synthétisées en laboratoire de cette manière. On a obtenu, en particulier, 17 des 20 acides aminés présents chez les êtres vivants, mais également des sucres, de l’urée, des bases azotées, des peptides c’est-à-dire des chaînes d’acides aminés, ainsi que des acides nucléiques. Au fil des expériences, on réussit à produire des molécules prébiotiques de plus en plus complexes. L’extrapolation hardie de ces résultats amena des scientifiques à envisager l’hypothèse qu’au cours de l’histoire de l’univers, une suite de réactions chimiques conduisit, par des processus similaires, à l’élaboration de molécules prébiotiques, puis à des molécules capables de se dupliquer et de transmettre leurs caractères à leurs descendants, et finalement à l’apparition d’êtres vivants. Ils imaginèrent que cette évolution s’est déroulée à la surface du globe terrestre, au sein des océans primitifs dont les eaux se sont progressivement enrichies en composés organiques. Telle est la théorie de la soupe primitive ou du bouillon primordial. Ce scénario se heurta bientôt à de nombreuses critiques. Ainsi, les chances pour que des molécules dispersées dans les vastes étendues océaniques puissent se rencontrer et, par conséquent, réagir entre elles, s’avéraient quasiment nulles. En outre, l’intense rayonnement ultraviolet qu'aucune couche d’ozone n’atténuait encore dans la haute atmosphère devait fatalement dissocier les composés organiques nouvellement formés.

1.3 Les sources hydrothermales des abysses
L’une des découvertes scientifiques majeures du 20 ème siècle est la mise en évidence de la dynamique des rifts médioocéaniques et de l’activité volcanique qui leur est associée. A l’aplomb des grandes fractures qui séparent les plaques tectoniques, à 2000 ou 3000 m sous la surface des océans, des remontées de magmas à partir de l’intérieur du globe entretiennent de hautes températures pouvant dépasser 300 degrés, ainsi que des émissions de fluides riches en hydrogène sulfuré et en sulfures minéraux. Ces sources hydrothermales 14

ont été appelées fumeurs noirs . Elles créent un contexte hostile à la vie qui n'est pas sans évoquer celui qui prévalait lors des origines de la planète, c'est-à-dire des températures élevées et l'absence d’oxygène libre. Grande fut la surprise des scientifiques lorsqu’ils découvrirent, à proximité de ces émissions hydrothermales, une vie diversifiée comportant des bactéries, des vers, des mollusques, des crustacés… Le premier maillon de la chaîne alimentaire y est représenté par des communautés bactériennes adaptées aux hautes pressions et aux températures élevées, qui synthétisent leurs constituants organiques grâce à l’oxydation des composés soufrés. L’abondance des dépôts de sulfures associés aux sources hydrothermales, n’est pas sans rappeler le rôle de catalyseur qui leur a été reconnu dans la synthèse de molécules organiques lors d'expériences faites en laboratoire. Aussi émiton l’hypothèse que les émissions hydrothermales des abysses réunissaient un ensemble de conditions propices à l’élaboration des molécules prébiotiques, et par conséquent d’êtres vivants. Elles constituent des environnements géographiquement bien circonscrits où une tranche d’eau conséquente assure une protection efficace contre le rayonnement ultraviolet. Aux premiers temps de la Terre, les sites des fumeurs noirs pouvaient constituer autant de berceaux pour l’émergence de la vie.

1.4 La panspermie : l’ensemencement par les milieux interstellaires
Parmi la centaine de molécules organiques que les astrophysiciens ont mis en évidence dans les espaces interstellaires, figurent, en sus de l’eau, l’hydrogène sulfuré, l’ammoniac, le méthane, le formaldéhyde, l’alcool éthylique, l’acide cyanhydrique… S’y ajoutent des acides aminés, des bases azotées, des acides gras et des hydrocarbures révélés par l’analyse des météorites. Les espaces cosmiques apparaissent ainsi comme de gigantesques laboratoires où s’élaborent en permanence des molécules qui ont participé à la genèse des organismes vivants. On imagine aisément que des grains de ces poussières organiques, protégés par une enveloppe de 15

glace, aient pu être importés à la surface du globe terrestre par le truchement de comètes. Certains scientifiques ont même avancé l’idée que des virus, voire des bactéries, ont pu naître dans les milieux interstellaires avant d’entreprendre un long voyage interplanétaire au coeur de météorites, à l'abri des effets létaux des rayonnements ultraviolets et cosmiques, pour finalement venir ensemencer la planète Terre. A l’appui du scénario d’une origine extraterrestre de la vie, on a invoqué l’intervalle de temps relativement court (quelques centaines de millions d’années) qui sépare la formation des premiers océans de celle des premières manifestations de la vie sur la Terre. En effet, que la vie soit apparue au sein du bouillon primordial ou qu’elle soit née au contact des sources hydrothermales des abysses, une telle durée permet difficilement d’imaginer qu’elle ait pu être suffisante pour répondre à l’ampleur des transformations conduisant d’éléments chimiques simples à des organismes vivants. En revanche, les milliards d’années de l’univers laissent une marge confortable pour le déroulement d’une telle évolution.

1.5 La première vie
Quels que soient le lieu et les processus qui ont engendré les molécules prébiotiques et la vie, il s’agit d’un événement qui ne s’est probablement produit qu’une seule fois au cours de l’histoire de la Terre. En témoigne l’universalité de l’identité biochimique des êtres vivants qui reflète, à l’évidence, leurs liens de filiation. Ils partagent, en effet, le même code génétique et leurs protéines sont édifiées à partir des mêmes acides aminés. Leurs acides nucléiques comportent les mêmes bases azotées. Les premières traces indubitables d’organismes vivants proviennent de roches terrestres vieilles de 3,5, voire de 3,8 milliards d’années. Il s’agit de corpuscules carbonés de contour sphérique ou de filaments dont les dimensions n’excèdent guère quelques millièmes de mm. Ils sont rapportés à des bactéries. Durant près de 3 milliards d’années, ce monde microbien fut seul à habiller la surface du globe. En dépit de la petite dimension de ses représentants, la diversité de ses 16

manifestations s’avère considérable. Les microorganismes ont, en effet, modifié la composition de l’atmosphère terrestre, entretenu la genèse d’espèces minérales, construit des reliefs rocheux… Leur activité, discrète mais efficace, est toujours et partout à l’œuvre. Elle demeure néanmoins dissimulée à notre regard par le superbe des derniers venus sur la scène de la planète, les organismes macroscopiques, animaux et végétaux. Le calendrier des temps géologiques. Comment est-il établi ?
La planète Terre s’est formée il y a 4.560 millions d’années, des durées qui défient l’imagination. A l’instar des historiens qui distinguent l’Antiquité, le Moyen Age ou la Renaissance d’après les faits marquants de l’histoire de l’humanité, les géologues découpent le temps de la Terre en grandes périodes en fonction d’événements majeurs ayant affecté l’ensemble du globe, tels l’édification d’une chaîne de montagnes, le relais des faunes et des flores, le déplacement des mers, les changements climatiques… La chronologie de ces événements est enregistrée dans la succession des terrains où les couches les plus récentes surmontent les plus anciennes, et dans les fossiles qu’elles renferment, car à chaque époque correspond un degré d’évolution du monde vivant. La prise en considération des grands bouleversements qui ont structuré la planète a conduit, dans un premier temps, à distinguer cinq subdivisions aux durées inégales, les ères géologiques. Le Précambrien (- 4.560 à - 542 millions d’années) précède l’ère primaire (- 542 à - 251 millions d’années). Il concerne un intervalle de temps considérable durant lequel la vie est essentiellement représentée par un monde microbien. La configuration de la planète à cette époque lointaine, la succession des chaînes de montagnes et les climats demeurent encore mal connus. L’ère primaire ou Paléozoïque, débute, par convention, avec l’apparition des premières faunes à tissus minéralisés (- 542 millions d'années). Elle voit surgir deux chaînes de montagnes successives, la chaîne calédonienne et la chaîne hercynienne, et se termine par une extinction massive des faunes et des flores, la plus grande crise de l’histoire de la biosphère. L’ère secondaire ou Mésozoïque (- 251 à - 65 millions d’années) au cours de laquelle s’opère un renouvellement du monde vivant, est encadrée par deux crises biologiques, celle de la fin de l’ère primaire

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